瞬变电磁法在探查工作面上覆煤层采空区富水性中的应用_刘百祥.pdf

Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 随着煤矿资源的开发， 浅部优势资源开发殆尽， 伴随着矿井的进一步整合，对赋存条件较差的煤层 瞬变电磁法在探查工作面上覆煤层采空区 富水性中的应用 刘百祥， 鲜鹏辉， 仇念广 （中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037） 摘要 采用地质分析、 瞬变电磁探测、 钻探验证 3 种手段相互综合的方法来查明某矿 9104 工 作面上覆煤层采空区的富水区域； 通过已有地质资料分析工作面的水文地质情况， 确定主要隐 蔽水害主要是上覆 4-1号煤层采空积水区； 针对水害特征选取合适的物探方法， 进行最佳的探测 设计； 根据回风巷、 运输巷的探测数据绘制 4-1号煤层视电阻率等值线成果切片， 准确圈定积水 异常区； 通过钻探验证瞬变电磁探测成果的准确性。研究结果表明 瞬变电磁探测控制工作面宽 度不超过 200 m， 顶板往上 60 m 高度内能够获得较丰富的数据， 并随着高度的增加空白范围带 越来越宽； 采用多角度方向设计获取更多测线方向的数据利于绘制成果切片图。按照相对视电 阻率值对上覆 4-1号煤层采空积水区进行了定性评价， 查明了其积水区分布范围。 关键词 地质分析； 瞬变电磁法； 探测设计； 成果切片； 采空积水区 中图分类号 TD163．1文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 04-0137-05 Application of Transient Electromagnetic in Detecting Water Richness in Goaf of Overburden Coal Seam at Working Face LIU Baixiang, XIAN Penghui, QIU Nianguang （China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China） Abstract The water-rich area in the goaf of overlying coal seam on the working face is identified by means of geological analysis, transient electromagnetic detection and drilling verification. Firstly, through the analysis of the hydrogeology of 9104 working face based on the existing geological data, it is determined that the main hidden water hazard is the goaf water accumulation area of 4-1 overlying coal seam; then, according to the characteristics of water hazards, appropriate geophysical s are selected to carry out the optimal detection design; based on the detection data of return air and transport channel, this paper expounds how to draw the slice of apparent resistivity isoline of 4-1coal seam and delineate accurately the anomalous area of water accumulation; finally, the accuracy of TEM detection results is verified by drilling. The research results show that the width of TEM detecting and controlling working face is not more than 200 m, rich data can be obtained within 60 m height of the roof, and the blank zone becomes wider and wider with the increase of the height; multi-angle direction design can be used to obtain more data of line direction, which is helpful to draw the result slice map, according to the relative apparent resistivity value, the goaf water accumulation area in overlying 4 -1 coal seam is qualitatively uated, the distribution range of water accumulation area is ascertained. Key words geological analysis; transient electromagnetic ; detection design; results slice; goaf water accumulation area DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.030 刘百祥， 鲜鹏辉， 仇念广．瞬变电磁法在探查工作面上覆煤层采空区富水性中的应用 ［J］ ．煤 矿安全， 2020， 51 （4 ） 137-141. LIU Baixiang, XIAN Penghui, QIU Niangguang. Application of Transient Electromagnetic in Detect- ing Water Richness in Goaf of Overburden Coal Seam at Working Face ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 137-141. 移动扫码阅读 基金项目“ 十 三 五 ”国 家 科 技 重 大 专 项 资 助 项 目 （2016ZX05045004- 007） 137 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 开始开采，由于以前存在较多的小窑开采，造成很 多地质资料缺失或不详，使得开采地质条件变得越 来越复杂， 其中以上覆煤层采空区水害尤为突出。 目前探查水害的主要手段有直流电法、音频电 透、瞬变电磁；但直流电法需要在顶板打孔施放电 极，施工效率较低；音频电透获取的顶板上方数据 量相对偏少；瞬变电磁可以在 2 条巷道进行多点多 角度测量，获得足够的数据进行切片分析，因此成 为探查上覆煤层采空区富水性的常用方法。近年来 国内学者对顶板富水性做了不少试验和研究工作， 其中李桓宇[1]等利用矿井瞬变电磁波探测技术探测 某矿 1煤层 1-101 综采工作面底板破坏范围， 确定 了煤层底板下采空区、 断裂带、 富水区等分布范围； 牟 义[2]、 李文、 黎灵等对宁夏某煤矿 1121 工作面顶板富 水性进行了探测，运用三维切片技术，分析解释了 工作面顶板富水性的问题； 方刚[3]根据物探、 钻探成 果及水质特征分析结果， 确定某矿 1301 工作面顶板 富水区域以静储量为主， 动储量补给有限； 钟声[4]等 利用地面与井下瞬变电磁探测相结合的方法，控制 水害分布范围和圈定富水区域，指导下一步的抽排 水工作； 丁永禄[5]等采用瞬变电磁探测技术探明工 作面横向范围与纵向顶板上方 80 m 范围岩层富水 性， 圈定了富水异常区段及等级； 王艳彬[6]对双马煤 矿首采区煤层顶板富水性进行探测与水害危险性评 价； 张彬[7]对顶底板富水性构造、 李洋[8]等对导水裂 缝富水性、 吴正飞[9]等对上覆烧变岩富水性进行研 究； 曲秋扬[10]、 侯文高[11]、 田茂虎[12]等对顶板富水性进 行了现场探测及用水量评价； 栗荣华[13]对工作面顶 板含水层特征进行探测分析， 张宇[14]等对回采工作 面上覆采空区富水性进行探测及疏放； 张志杰[15]、 张 仕同[16]等对综采工作面进行采前水害评价。 为了确保某矿 9104 工作面安全回采， 采用地质 分析、瞬变电磁探测、钻探验证 3 种手段相互综合 的方法来查明工作面上覆煤层采空区的富水区域。 首先通过已有地质资料分析工作面的水文地质情 况，确定主要隐蔽水害是上覆 4-1号煤层采空积水 区；然后针对水害特征选取合适的物探方法，进行 最佳探测设计； 根据回风巷、 运输巷的探测数据， 阐 述如何绘制 4-1号煤层视电阻率等值线成果切片； 最后通过钻探验证瞬变电磁探测成果的准确性。 1地质分析 1.1工作面地质概况 9104 工作面位于该矿井田内西南部方向， 工作 面南部与该矿和党新煤矿井田保安煤柱相邻，西部 为该矿旧井陶卜洼煤矿所采 9 号煤层采空区，北部 与该矿回风大巷相邻，东部为 9104 工作面回风绕 道， 回风巷、 运输巷沿 9 号煤底板掘进。 1） 所采煤层。本工作面所采煤层为 9 号煤层， 9 号煤层位于太原组下部， 上距 4-2号煤层 36.40 m 左 右。 煤层厚度为 11.70～16.25 m， 平均为 13.1 m。 含夹 矸 1～5 层，煤层结构简单-复杂，夹矸岩性多为泥 岩、 炭质泥岩。煤层总体为一走向北北西， 向北东东 倾伏， 煤层倾角为 8～13， 平均为 10， 属全区稳定 可采煤层。 2） 顶底板情况。9 号煤层顶板为砂质泥岩和泥 岩， 厚度为 2.10～13.90 m， 平均为 7.09 m。砂质泥岩 为软岩-较软岩， 属易垮落的松软顶板， 泥岩为较软 岩， 属易垮落的松软顶板。底板为泥岩、 中细砂岩和 砂质泥岩， 厚度为 3.95～5.84 m， 平均为 4.89 m。泥 岩为软岩-较软岩， 中细砂岩为软岩-较软岩， 砂质 泥岩为软岩。 3） 上覆煤层。 4-1号煤层， 位于太原组顶部， 直接 顶为 K3砂岩，煤层厚度 9.40～12.24 m，平均 11.12 m， 此煤层已基本采空； 4-2号煤层， 上距 4-1号煤层 1.71 m 左右， 煤层厚度 1.48～4.15 m， 平均 3.06 m， 煤层结构简单-复杂， 4-2号煤层由于受 4-1号煤层开 采引起的底板扰动破坏， 已无法开采。 4） 地质构造。9104 工作面位于区域构造马关河 向斜西翼， 总体为一走向北北西， 向北东东倾伏的单 斜构造， 地层比较平缓， 一般为 8～13 ， 工作面内未 发现断层、 陷落柱、 岩浆岩侵入等现象， 构造复杂程 度属简单类型。 5 ） 水文条件。井田内主要含水层由下至上依次 为 奥陶系岩溶水含水层 （简称奥灰） ， 该含水层单位 涌水量 q0.596 L/ （s m ） ， 渗透系数 1.384 m/d， 含水层 富水性中等； 太原组层间砂岩裂隙含水层、 山西组砂 岩裂隙含水层、 基岩风化壳裂隙含水层、 第三、 第四系 砂砾石孔隙含水层， 各含水层相对独立， 水动力联系 差， 只要排水正常一般不会对矿井生产造成威胁。 1.2潜在水害分析 综合已知地质资料， 本工作面地构造简单， 各含 水层相对独立，水动力联系较差且地质资料较为详 细， 对回采形成水害威胁较小； 9 号煤层在兼并重组 前开采形成的采空区主要在井田西部，已通过钻孔 探查，确定对 9104 工作面回采不存在突水威胁； 4-1 号煤层老空水资料不详， 对 9104 工作面回采具潜在 突水威胁。因此， 能否查明 4-1号煤层老空水分布范 138 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 围是影响回采的重要因素。 2瞬变电磁探测原理 根据水害特点，解决上覆煤层采空区富水性问 题宜选择瞬变电磁进行多方向探测。矿井瞬变电磁 探测是井下巷道内利用多匝小回线重叠装置进行发 射与接收， 在一次场的间歇期接收 “纯二次场” ， 通 过接收各个时间段的二次场信号，进行时深转换获 得不同深度的煤岩层电性特征[17]。 3探测设计与施工 3．1探测目的与区域选择 根据资料分析得出本工作面主要水害为 4-1号 煤层老空水， 主要目的是查明老空水的分布范围。 4-1号煤层底板与 9104 工作面回风巷、运输巷 垂直距离大约 50 m，回风巷与运输巷之间距离为 151 m， 该工作面南高北低、 西高东低的特点， 针对 50 m 高度设计探测方向， 根据东北偏低的方位特点 选取停采线往切眼方向 170 m 范围做为本次探测 区域。 3．2测点与方向设计 在回风巷布置测点，间距为 10 m，标号从 0～ 17， 每个测点布设 4 个方向， 依次为垂直顶板 90方 向、偏顶板 68方向、偏顶 51 板 68方向、偏顶板 40方向， 标号①～④； 在运输巷布设测点， 间距为 10 m， 标号从 0～17， 每个测点布设 5 个方向， 依次为 偏顶板 35方向、 偏顶板 44方向、 偏顶 58方向、 偏 顶板 78方向、 垂直顶板 90方向， 标号⑤～⑨。探测 方向设计如图 1， 一共 9 条测线， 控制在 4-1号煤层 位置各方向测线间距≤20 m； 由于受瞬变电磁探测 有效距离限制， 本方法只适应于较窄工作面 （200 m 以内） 顶板上方探测； 工作面越宽， 在 2 条巷道控制 的顶板上方距离越短；在工作面宽度一致的情况 下，控制顶板往上 60 m 高度内获取的数据量较丰 富， 越往上中间出现的空白范围带越宽。 3．3现场施工 现场严格依照设计进行测点标定，方向用姿态 角测量仪和坡度规综合测定；采集参数经试验后， 本次频率选取 25 Hz、 叠加次数 128 次； 最后按设计 要求完成数据采集并做好现场记录。 施工现场记录回风巷 0-2点有金属支柱， 16、 17号点有少量淋水；运输巷有带式输送机， 0- 2点有金属支柱， 16、 17号点有少量淋水；其他探 测条件较好。 4成果切片图绘制 4．1计算视电阻率 视电阻率其视电阻率 ρs的计算公式[17]为 ρs Cμ0 4πt 2μ0SN 5t （V/I） （） 2 3 （1 ） 式中 C 为全空间响应系数； S 为重叠回线面 积， m2； N 为线圈匝数； t 为时间， s； μ0为真空磁导率， N/A； V/I 为归一化电压电流比值， V/A。 4．2时深转换 根据蒋邦远的烟圈反演理论[18]， 电磁波在远处 传播扩散越来越大， 其深度 H 与传播速度 vz的计算 公式如下 vz 2ρs ■ tπμ0 ■ （2 ） 式中 ρs为视电阻率， Ω m； vz为传播速度， m/s。 H （t） t 0 ∫vzdt （3） 式中 H 为视深度， m。 4．3深度数据提取 根据前面所述，主要针对顶板上方 50 m 处进 行切片；设 H050 m，设测线与煤层夹角为 αi（i 1， 2， ， 9） ， 则 HiH0/ sinαi（4） 按式 （4） 计算各测线视深度， 用 Matlab 编程提 取各测线视深度的视电阻率值。 4．4建立相对坐标系 以回风巷 0测点为坐标原点， 回风巷往停采线 方向为 x 轴正方向，垂直回风巷往运输巷方向为 y 图 1探测方向设计示意图 Fig．1Schematic diagram of detection direction design 139 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 图 4钻孔布设示意图 Fig．4Schematic diagram of drilling layout 轴正方向，建立相对坐标系；各个测点的探测方向 在深度 50 m 位置的形成 20 m10 m 的网格，相对 坐标系示意图如图 2。 4．5Surfer 成图 根据测点位置、 测线位置、 视电阻率 3 列数据， 利用 Surfer 绘制视电阻率等值线成果图，进行网格 化、 滤波、 设置色谱、 添加网格、 标注文字等步骤。 5分析验证 5．1成果分析 4-1号煤层切片成果图如图 3。结合地质资料划 分本次瞬变电磁探测的异常区阈值， 视电阻率 ρs≤8 Ω m，为相对低阻异常区，划分为积水区； 8 Ω m＜ ρs≤20 Ω m， 为过渡区， 划分为弱积水区； ρs＞20 Ω m， 为正常区， 划分为无积水区。 从图 3 可以看出， 在测点位置 0～20 m， 贯穿整 个工作面呈现条带状的低阻区域 YC1（虚线圈定区 域） ， 结合现场探测条件 0-2点有金属支柱， 该异常 为金属支柱干扰导致；在运输巷 135～170 m 位置、 距离运输巷 30 m 范围存在相对低阻异常区 YC2 （虚线圈定区域） ， 结合地质资料分析， 该异常为 4-1 号煤层采空积水区； 其他区域未见明显低阻异常区， 视电阻率值变化较平缓，表明该区域内采空区无积 水或弱积水。 5．2钻探验证 根据探测成果设计 zk1（设计深度 55 m） 、 zk2 （设计深度 60 m） 、 zk3（设计深度 65 m） 3 个钻孔对 异常区进行验证， 钻孔布设示意图如图 4。zk1 施工 至 52．3 m 时出水，最大出水量 20 m3/h; zk2 施工至 56．8 m 时出水，最大出水量 15 m3/h； zk3 施工至设 计深度， 未见出水。 6结论 1） 瞬变电磁探测控制工作面宽度不超过 200 m， 顶板往上 60 m 高度内能够获得较丰富的数据， 并 随着高度的增加空白范围带越来越宽。 2） 可以采用多角度方向设计， 获取更多测线方 向的数据利于绘制成果切片图，可以绘制有效探测 距离内的任意高度的切片成果图。 3 ） 按照相对视电阻率值对上覆 4-1号煤层采空积 水区进行了定性评价，查明了其积水区分布范围， 钻 探验证增加了探测的可靠性。 参考文献 ［1］ 李桓宇， 邢玉忠， 闫晶晶， 等．基于电磁探测技术的采 空区上覆煤层底板破坏范围的研究 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （7） 201-204． 图 2相对坐标系示意图 Fig．2Schematic diagram of relative coordinate system 图 34-1号煤层切片成果图 Fig．3Slice results of 4-1coal seam 140 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 ［2］ 牟义， 李文， 黎灵， 等．矿井瞬变电磁法在工作面顶板 富水性探测中的应用 ［J］ ．煤矿安全， 2011， 42 （1） 104－107． ［3］ 方刚．榆横南区煤层顶板富水性探查研究及治理评价 ［J］ ．矿业安全与环保， 2017， 44 （5） 98－102． ［4］ 钟声， 王士党．地面与井下瞬变电磁法联合探测煤矿 富水区域 ［J］ ．物探与化探， 2016， 40 （3） 635－638． ［5］ 丁永禄， 吕兆海， 潘长斌， 等．金家渠煤矿工作面顶板 富水性分析及疏放水对策 ［J］ ．华北科技学院学报， 2018， 15 （3） 33－39． ［6］ 王艳彬．双马煤矿首采区煤层顶板富水性探测与水害 危险性评价 ［D］ ．西安 西安科技大学， 2018． ［7］ 张彬．工作面顶底板富水构造三维立体探测应用研究 ［J］ ．中国煤炭地质， 2016， 28 （7） 65－68． ［8］ 李洋， 王金平， 魏启明．瞬变电磁法在井下工作面顶板 导水裂缝探测中的应用 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2018， 46 （S1） 66－71． ［9］ 吴正飞， 邢修举， 代凤强．综采工作面顶板上覆烧变岩 富水性的精细探测研究 ［J］ ．能源与环保， 2018， 40 （5） 140－143． ［10］ 曲秋扬， 张亮．超大采高工作面顶板基岩含水层富水 性探测与处理技术 ［J］ ．中国煤炭， 2018， 44 （12） 25. ［11］ 侯文高， 曹始友， 高旭波．新安煤矿首采工作面顶板 岩层富水性探测及涌水量评价 ［J］ ．中国矿业， 2016， 25 （S2） 270－272． ［12］ 田茂虎， 吴德勋， 马勇．瞬变电磁法探测工作面顶板 富水区的实践 ［J］ ．山东煤炭科技， 2017 （4） 131. ［13］ 栗荣华．工作面顶板含水层特征探测与分析 ［J］ ．山东 煤炭科技， 2017 （9） 151－153． ［14］ 张宇， 刘振庆．回采工作面上覆采空区富水性探测及 疏放 ［J］ ．中国战略新兴产业， 2017 （12） 72． ［15］ 张志杰．神东哈拉沟煤矿 22208 综采面采前水害评 价 ［J］ ．陕西煤炭， 2018， 37 （1） 54－56. ［16］ 张仕同， 孟海翔， 霍昌， 等．下梨园煤业 40101 综放工 作面顶板水防治技术 ［J］ ．华电技术， 2017， 39 （11） 57－58． ［17］ 刘百祥．煤矿回采工作面钻孔注水联合探测试验研 究 ［J］ ．煤矿安全， 2019， 50 （4） 27－31． ［18］ 蒋邦远．实用近区磁源瞬变电磁法勘探 ［M］ ．北京 地 质出版社， 1998． 作者简介 刘百祥 （1984） ， 男， 湖南新化人， 助理研究 员， 硕士， 2012 年毕业于中国矿业大学 （北京） ， 主要从事地 球物理勘探、 地质的现场实践与研究工作。 （收稿日期 2019-05-10； 责任编辑 陈洋） 141 ChaoXing